強(qiáng)大的自然改造者

冉浩

假如沒有微生物

假如沒有微生物，垃圾不會(huì)變臭，食品不會(huì)發(fā)霉，人也會(huì)免去很多疾病，那該多美好啊。可是，我們馬上就會(huì)面臨新的問題，因?yàn)閯?dòng)植物的殘骸再也不會(huì)自然腐爛然后消失了！所有的尸體都得不到分解，一些會(huì)保持原樣，但不會(huì)腐爛，另一些會(huì)在太陽的照射下慢慢變干，也許風(fēng)吹日曬能夠使這些干尸風(fēng)化，但是那將經(jīng)歷非常漫長的過程。千百年積累的尸體會(huì)堆積成小山，覆蓋住森林、河流和海洋，活著的生物將沒有立足之處。而那些糞便則會(huì)形成厚厚的一層，也許會(huì)形成硬硬的屎殼子，也許就是便便“沼澤”的樣子，也許是便便“海洋”上漂著很多尸體？總之，似乎都不是太美好。

正是有了微生物等分解者，這樣的場面才終于沒有出現(xiàn)，大多數(shù)多余的有機(jī)物都會(huì)迅速轉(zhuǎn)變成無機(jī)物回歸到環(huán)境中去。以一片樹葉為例，當(dāng)它還在樹上時(shí)，微生物就已經(jīng)開始了分解作用，而活植物體產(chǎn)生的各種分泌物、滲出物都是微生物的食物。落葉一旦到達(dá)地面，就立即成為細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物所進(jìn)攻的目標(biāo)。分解過程還會(huì)因?yàn)樵S多無脊椎動(dòng)物的參與而加速，它們的吞食和穿孔作用破壞了葉子的結(jié)構(gòu)，也增大了接觸面積，使微生物更易侵入。被它們吞下的，大量的、未經(jīng)消化吸收有機(jī)物通過消化道以糞便形式排出，更易為微生物分解者所利用。如果氣溫和濕度適宜，這些作用使得一片葉子很快就會(huì)消失。

城市垃圾有克星

現(xiàn)在，以微生物的分解作用為基礎(chǔ)的生物處理技術(shù)正在慢慢被人們接受。它主要利用的是好氧或者厭氧微生物來進(jìn)行垃圾處理，前者必須在有氧條件下才能發(fā)揮作用，主要是利用細(xì)菌、放線菌和真菌等微生物類群；后者則需要在密閉的條件下進(jìn)行，發(fā)揮分解作用的主要有一些水解細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)醋酸菌群或產(chǎn)甲烷菌群等。堆肥是最簡單的生物處理方法，也是一種暴露在空氣中的好氧分解過程。在這個(gè)過程中，細(xì)菌憑借著其強(qiáng)大的相對(duì)表面積，能夠更快地吸收有機(jī)質(zhì)，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了真菌和放線菌。整個(gè)堆肥過程，隨著大量細(xì)菌分解有機(jī)質(zhì)釋放能量，“肥堆”內(nèi)部溫度開始升高，普通細(xì)菌大量死亡。這時(shí)候，不怕燙的嗜熱細(xì)菌繁殖了起來，并且成了分解工作的主力，直到“肥堆”中的有機(jī)成分大量減少，內(nèi)部溫度開始下降，這時(shí)候，普通細(xì)菌等又會(huì)再次活躍起來，完成分解的最后階段。

于是，人們精選了菌群，按照一定的比例制成了復(fù)合微生物菌劑，這些菌種會(huì)在垃圾上形成一個(gè)由不同微生物共同構(gòu)成的互助、穩(wěn)定的群落，加快分解速度。

實(shí)力強(qiáng)大的環(huán)境修復(fù)

很多時(shí)候，由于人類的活動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了環(huán)境的承受和自凈能力，需要進(jìn)行人為環(huán)境修復(fù)。相比傳統(tǒng)的環(huán)境修復(fù)方法，使用生物進(jìn)行污染物清除要安全得多。起主要分解和消化作用的是微生物，它們就像對(duì)付生活垃圾一樣，干凈利落地將常規(guī)有機(jī)污染物解決掉。

而對(duì)于不好解決的污染物，微生物也有辦法。盡管石油烴類化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，極難分解，但微生物會(huì)使用自身如脫氫酶這樣的武器來解決掉石油。自然界中能降解烴類的微生物有200多種，分屬于細(xì)菌、放線菌、霉菌、酵母以及藻類。一般認(rèn)為，細(xì)菌分解原油比真菌和放線菌容易，但真菌降解效果好于細(xì)菌。為了提高細(xì)菌的分解效率，科學(xué)家還曾利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培養(yǎng)了能夠分解多種石油烴類的“超級(jí)細(xì)菌”。以現(xiàn)在的研究成果看，只要不到一年的時(shí)間，大部分石油污染物就能被妥妥地清除掉。

新能源崛起

能源是我們賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)在我們所依賴的煤、石油和天然氣等化石燃料，具有不可再生性，預(yù)計(jì)將在未來100年或稍長的時(shí)間內(nèi)枯竭，全球能源安全面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，化石能源的利用也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，尋找清潔的替代能源就顯得格外迫切了。微生物燃料電池（Microbial fuel cells， MFCs）便是其中的一種選擇。微生物燃料電池的思路源自20世紀(jì)初。1911年，英國植物學(xué)家波特（Pitter）就發(fā)現(xiàn)大腸桿菌和酵母菌能夠產(chǎn)生電流，但是相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，由于其產(chǎn)電量少、成本高，而且需求不迫切，該技術(shù)一直得不到發(fā)展。但進(jìn)入21世紀(jì)以來，人們?cè)俅螌⒛抗馔兜搅诉@個(gè)領(lǐng)域。

微生物燃料電池的基本結(jié)構(gòu)包括陽極室和陰極室，兩者中間以特殊的半透膜隔開。陽極室連接電池的陽極，里面灌滿了酸堿緩沖液、營養(yǎng)液，生存著產(chǎn)電微生物。產(chǎn)電微生物是其中的核心，它們要將電子供體氧化并將電子傳遞到陽極。其與普通微生物最大的區(qū)別在于能將細(xì)胞呼吸過程中產(chǎn)生的電子釋放到細(xì)胞外，同時(shí)也能從電子傳遞中獲得能量而生長。目前已知的產(chǎn)電微生物有20多種。其中，希萬氏菌和硫還原地桿菌已經(jīng)成為研究的模式菌，完成了全基因組測序。陰極室內(nèi)存在著電子受體溶液，接受穿過半透膜傳遞來的電子，如果電子受體為空氣中的氧氣，則結(jié)構(gòu)更為簡單。兩個(gè)室之間的半透膜的作用是讓質(zhì)子或其它帶電粒子通過，形成電流，防止陰極氧化劑和陽極的燃料直接接觸。目前，微生物燃料電池已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，電壓最高達(dá)到過1.385V，離普通電池的1.5V已經(jīng)非常接近，如果將多個(gè)電池串聯(lián)，曾經(jīng)得到過2.02V的電壓。

微生物燃料電池也已經(jīng)有了小型化應(yīng)用，如Tender等人曾用它來驅(qū)動(dòng)波托馬克河中的氣象光學(xué)浮標(biāo)，持續(xù)供電7個(gè)月，直到浮標(biāo)被冰塊撞壞……英國科學(xué)家甚至設(shè)想了未來能夠“吃剩飯”的機(jī)器人——利用各種剩菜剩飯以及落葉作為機(jī)器人的電池“燃料”。微生物的胃口不大，家里的垃圾或許就能養(yǎng)個(gè)機(jī)器人。同樣的道理，廢水發(fā)電也是科學(xué)家期待的領(lǐng)域，如果能將污水處理廠借助該技術(shù)變成發(fā)電站，那同樣是效益巨大的。以我國為例，2010年廢水排放總量為617.3億噸，其中蘊(yùn)含潛在的電能為5.15×1010千瓦時(shí)，而我國當(dāng)年用于廢水處理的總耗電量為4×1010千瓦時(shí)。如果將其潛在電能挖掘出來，不僅能彌補(bǔ)耗電，而且還能反哺電網(wǎng)，變廢為寶。此外，微生物燃料電池在制氫以及將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷等燃料氣體方面也大有前途。

你瞧，這小小的微生物雖然很不起眼，但卻是自然界中強(qiáng)大的分解者，也與我們的生活和未來密切相關(guān)呢。endprint